软岩巷道锚注支护技术

7软岩巷道锚注支护技术,7软岩巷道锚注支护技术,7.1概述7.2内注浆锚杆7.3锚注支护机理与设计7.4锚注支护的应用7.5锚注支护施工问题7.6深部破裂岩体锚注加固特性,7.1概述,锚杆支护与锚喷支护特点积极支护各种以锚杆为基础的复合支护形式耦合支护二次支护的提出及二次支护的作用时间时效性但在深部不稳定地层中的巷道支护仍存在较多问题传统支护方式难以适应深部地压的要求锚喷支护、锚索支护、棚式支护、砌碹支护锚注支护体系：以内注浆锚杆注浆为核心，并与其它支护方式组成不同支护结构（包括锚喷支护、棚式支护、砌碹支护等）,7.2内注浆锚杆的类型与适用条件,内注浆锚杆：是专门为解决不稳定地层中巷道支护而研制的，兼有锚杆和注浆管的功能。内注浆锚杆的类型有：可控压内注浆锚杆控压注浆普通内注浆锚杆便于推广应用端锚内注浆锚杆加强锚固自钻式内注浆锚杆破碎岩层,7.3锚注支护机理与支护设计,7.3.1锚注支护机理巷道支护形式可划分为3个层次：被动支护形式各种金属支架、砌喧等；积极支护形式以锚喷支护为主，能发挥围岩自承载能力；主动支护形式从根本上改变岩体结构及力学性能。锚注是其中一种重要的支护方式。其它包括：预应力支护、超前支护等。对于深部软岩动压巷道，只有采用最高层次的支护形式才能保证巷道的稳定。,7.3.1锚注支护机理,锚注支护机理包括以下几个方面：（1）注浆浆液封堵围岩裂隙，隔绝空气，减轻围岩风化，防止围岩被水浸湿而降低围岩强度发挥自承载能力。（2）注浆将松散破碎围岩胶结成整体，提高了围岩整体性和强度，且喷层壁后充填密实，保证喷层或支架上的应力分布均匀。避免出现应力集中点而破坏；并与原岩形成一个整体，在动压作用下与原岩共同承载而不易破坏。,7.3.1锚注支护机理,（3）注浆充填围岩裂隙，配合锚喷支护形成多层有效组合拱。注浆锚杆本身为全长锚固，可将多层组合拱联成一个整体，共同承载，扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力（4）作用在拱顶上的集中应力能有效传递到两帮与底板。由于组合拱厚度加大，作用在底板上的荷载集中度减小，从而减弱底板岩层中的应力和塑性变形，减轻底臌；且底板稳定有助于两帮稳定，在底板与两帮稳定的情况下又能保持拱顶的稳定。因此，锚注加固结构具有较好的整体性、稳定的结构性、较高的承载力和较强的让压与抗变形能力。,锚注支护结构形成机制1-注浆锚杆；2-喷网层；3-注浆扩散范围；4-锚固压力锥岩锚拱；5-喷网层组合拱,7.3.2锚注支护分类,（1）充填注浆充填注浆指在较大空隙中充填浆液料。充填注浆有两个作用：增加岩土的整体稳定；以及使支架受力均匀。充填注浆特点：用浆量大，强度要求低，浆液渗透性要求低。因此，要求用大流量、粗径送浆泵，浆液可以用较多的填充料以降低成本。,7.3.2锚注支护分类,（2）裂隙注浆裂隙注浆是通过浆液渗透扩散后粘结裂隙面，以提高岩体强度和阻塞渗流通道。裂隙注浆对浆液的要求：渗透性要求浆液凝结时间要求浆液结石率要求浆液粘结强度要求浆液的环保要求,7.3.3锚注支护设计,7.3.3.1锚注支护型式的选择7.3.3.2内注浆锚杆参数的确定7.3.3.3注浆材料与参数的确定7.3.3.4注浆工艺,7.3.3.1锚注联合支护型式的选择,（1）新掘类巷道（2）加固类巷道（3）修复类巷道,7.3.3.1锚注联合支护型式的选择,（1）新掘类巷道均采用二次支护的方法进行施工，且根据所用锚杆型式分为两种支护形式：第一种：一次支护采用普通锚杆进行锚喷支护，二次支护时采用内注浆锚杆注浆加固，并形成二次锚喷支护结构；第二种：一次支护直接采用高强度端锚内注浆锚杆进行锚喷支护，同时预留及保护好内注浆锚杆的孔口和螺纹，二次支护时采用一次支护所安装的内注浆锚杆进行注浆加固，并形成二次锚喷支护结构。,7.3.3.1锚注联合支护型式的选择,（2）加固类巷道加固类巷道指因局部变形破坏而影响稳定，但断面仍满足要求，或经过一次修复后断面较完整的巷道。可根据围岩裂隙（孔洞）发育程度采用不同的锚注加固形式，裂隙极其发育时可采用充填注浆加固；裂隙发育情况一般时，可采用端锚内注浆锚杆进行锚注加固，以便于加大注浆压力，使浆液充分扩散到围岩裂隙中，形成有效锚固结构。,7.3.3.1锚注联合支护型式的选择,（3）修复类巷道修复类巷道指经过多次破坏与修复后又发生严重变形与破坏，需要再次修复的巷道。此时可采用两种支护方式：第一种：锚注支护与锚喷支护相结合的联合支护结构。先进行注浆预加固，然后刷大断面，再采用普通锚杆或端锚内注浆锚杆进行一次支护，最后再进行二次注浆加固；第二种：型钢支架与锚注支护相结合的联合支护结构。先刷大断面，采用型钢支架与喷网进行一次支护，然后采用内注浆锚杆进行二次锚注后加固。,7.3.3.2内注浆锚杆参数的确定,（1）锚杆长度（2）锚杆间排距（3）锚杆锚固力,7.3.3.2内注浆锚杆支护参数的确定,（1）内注浆锚杆长度一般不再经受动压作用巷道，锚杆长度为17002000mm;经受动压或围岩裂隙极其发育时，锚杆长度为22002500mm。对于普通内注浆锚杆，可根据围岩松动范围来确定;不再经受动压作用的巷道，锚杆长度为15001800mm;经受动压或围岩裂隙极其发育时，锚杆长度为20002200mm；大断面及深部巷道，锚杆长度可达25003000mm。,7.3.3.2内注浆锚杆支护参数的确定,（2）锚杆间排距一般情况下，内注浆锚杆的间排距为1000mm1000mm；围岩裂隙极其发育，且采用普通内注浆锚杆时，锚杆间排距可扩大到1500mm1500mm；采用型钢支架与锚注联合支护时，锚杆排距可与支架排距相同；当一次支护采用内注浆锚杆时，其间排距按普通锚杆来确定，一般为600800mm。,7.3.3.2内注浆锚杆支护参数的确定,（3）锚杆锚固力普通内注浆锚杆的锚固力在4050kN，因此，可以采用4分焊接管（直径约21.6mm）制作；端锚内注浆锚杆的锚固力一般在5070kN,因此，可以采用22mm无缝管制作。自钻式内注浆锚杆与规格有关，可达100200kN，包括25mm、28mm、32mm等。,7.3.3.3注浆材料与参数的确定,（1）注浆材料在新掘类巷道中，一般可采用水泥、水泥水玻璃单液浆。在裂隙或孔洞极其发育且裂隙尺寸较大时，可在一次注浆的水泥浆液中掺加细骨料，如细砂、粉煤灰、矸石粉等，实施充填注浆，而在二次复注时采用高强度的单液浆；当巷道处于强膨胀性岩层中时，可采用PM型、SPM型等化学浆液，防止注浆造成围岩膨胀；而淋水较大时，可采用水泥水玻璃双液浆，实现防渗和加固。,7.3.3.3注浆材料与参数的确定,（2）注浆参数采用单液或双液注浆时，顶帮注浆压力在1.21.5MPa，底角注浆压力在1.52.0MPa；深孔复注时可达3.05.0MPa。在浆液中掺加细骨料时，以重力充填注浆为主，注浆压力控制在1.01.2MPa。,7.3.3.4注浆工艺,7.4锚注支护在不稳定地层中的应用,（1）在回采巷道中的应用（2）在软岩动压巷道中的应用（3）在软岩地层水仓中的应用（4）在软岩硐室工程中的应用,（1）在回采巷道中的应用,锚注支护在梁家煤矿回采巷道中的应用,（1）在回采巷道中的应用,锚注支护在梁家煤矿回采巷道中的应用,（1）在回采巷道中的应用,三锚支护技术在陶阳矿高应力煤巷中的应用,（2）在软岩动压巷道中的应用,修复类巷道,（2）在软岩动压巷道中的应用,修复类巷道,（2）在软岩动压巷道中的应用,加固类巷道,（2）在软岩动压巷道中的应用,新掘类巷道,（3）在软岩地层水仓中的应用,新掘类巷道,（4）在软岩硐室工程中的应用,新掘类巷道,（4）在软岩硐室工程中的应用,（4）在软岩硐室工程中的应用,7.5锚注支护施工问题,1）注浆方式2）浆液材料3）控制参数4）注浆时间5）注浆方法6）注浆顺序7）注浆效果的评价8）施工注意事项,7.5锚注支护施工问题,1）注浆方式单液注浆：以单一胶凝材料配置的浆液为主。为改变浆液的性质，有时在浆液中添加改性剂，如由两种配合料构成的水泥-水玻璃浆液。,7.5锚注支护施工问题,2）浆液材料水泥浆一般采用32.5级普通硅酸盐水泥。可根据用途水泥浆液中可掺入一定掺合料，如：砂、粘性土（塑性指数高、粘性颗粒含量高）、粉煤灰（烧失量小、细度不低于水泥）、水玻璃（模数2.43，SiO2克分子数/Na2O克分子数，浓度3045）。,7.5锚注支护施工问题,2）浆液材料另常加入一些改性剂，以改善浆液性能，主要改性剂有:悬浮剂：使水泥颗粒长时间悬浮不沉淀；分散剂：降低水泥浆液粘度；速凝剂和缓凝剂：如35%的水玻璃；膨胀剂：解决析水与收缩、结石率小于1的问题；防析水剂；加气剂等。,7.5锚注支护施工问题,3）控制参数注浆压力：根据岩石破碎程度，可采用重力灌浆至压力灌浆，锚注一般注浆压力在0.53.0MPa。扩散半径：采用经验法。锚注方法的扩散半径不应当完全按渗透半径来确定。因为岩石越破碎（虽然扩散半径大），越需要加固。如果渗透半径小而岩石变形大（岩性软），就需要提高浆液的渗透能力或注浆压力。一般扩散半径和锚杆布置一致，或略微调整。,7.5锚注支护施工问题,4）注浆时间因为锚注支护是联合支护，注浆一般滞后于锚杆施工，即相当于二次支护。因此，支护时间是锚注支护的重要参数。不能过早：影响前方正常各种程序、要求较高的性能以适应高应力和较大的变形；不能过迟：洞室变形过大再行支护就失去意义。确定方法：原则上保证注浆后的岩体能适应后续变形量。可通过前后两种支护能力的比较确定后续变形量的比例关系，结合施工速度确定注浆时间。简易确定方法可由变形曲线的最大曲率附近的时间。一般在1个月（2060d）左右时间。,7.5锚注支护施工问题,5）注浆方法注浆方式主要有两种：一是充填注浆：喷射混凝土后，钻孔、安短注浆管、对壁后注浆；二是渗透注浆：用于裂隙岩体的注浆加固。对裂隙岩体的注浆有两种方法：一是单独注浆，指在锚喷施工以后，单独采用钻孔注浆的方法；一是注浆锚杆注浆，即以钢管为锚杆，又兼作注浆管。注浆锚杆注浆程序：工作面钻锚杆孔安带跑浆孔的锚杆管（6/钢管两端分别有螺纹或钻跑浆孔用树脂或水泥卷固结锚杆锚固（托盘、螺帽）保护锚管使其在注浆时可连接注浆软管。,7.5锚注支护施工问题,6）注浆顺序长度方向：一般采用挤密式注浆，即：先分区，后加密，先外围，后内部。纵向（立面方向）：下行式或上行式。下行式：可增加下部位进浆机会；上行式：避免浆液无过多扩散。局部先行：用以先在容易漏浆的地方封闭堵浆。重复注浆：为提高注浆效果，可采用加密钻孔，重复注浆方法。,7.5锚注支护施工问题,7）注浆效果的评价浆液注入量：注入量越大，加固效果越明显。因此，要设法使浆液充分扩散至设计范围内。注浆压力：到达设计注浆压力值应有足够的浆液注入量。单独的注浆压力还不说明问题，充分考虑注浆压力、注浆量、注浆时间与注浆扩散半径间的关系。浆液渗出：浆液渗出情况是判断浆液流动与扩散范围、进入裂隙状况的重要依据。钻孔测量：钻孔窥视、压水测量、岩样质量检查等。综合物探：地质雷达、超声波等方法探测。,7.5锚注支护施工问题,8）施工注意事项保证施工顺畅的重要条件：是浆液流动与施工密切配合（浆液稳定性好、粘度性能好、凝结时间配合好、设备工况好、操作熟练），否则易引起堵管。浆液配比要准确：配比不准，可导致：过早凝结堵管，或注浆后不凝结，达不到加固效果。控制串浆与跑浆现象：出现串浆可加大注浆孔间的距离，延长前后注浆的间隔时间；少量跑浆可用一些材料堵塞，再用速凝剂封面；跑浆量大要求封闭表面（如喷射混凝土），可采用低压、浓浆、限量、间隔注浆等方法。,7.6深部破裂岩体锚注加固特性,前言1破裂岩体锚注加固特性试验设计2试验结果与分析3破裂岩体锚注加固特性试验结论4破裂岩体锚注加固结构承载能力,前言,大量工程实践和研究表明，破裂岩体具有自承载能力，且在一定的支护约束下，可形成有效的承载结构。对深部地下工程围岩来说，如何形成有效支护结构，发挥破裂岩体的结构效应，对巷道围岩和支护结构稳定均具有重要意义。实践证明，对破碎的巷道围岩实施锚固和注浆后，可形成有效的锚注加固结构，能满足多种复杂条件下的支护要求。但对破裂岩体注浆和加锚后的力学特性及承载机理的基础研究较少，我们通过对破裂岩体实施注浆和加锚后力学特性的试验研究，初步揭示加锚注浆岩体的承载机理与承载特性。,1破裂岩体锚注加固特性试验,1.1试件材料和成型方法1.2试验内容（1）单轴压缩试验单向应力状态（2）侧向约束试验两向应力状态（3）加锚约束试验三向应力状态1.3测试系统,2试验结果与分析,2.1单轴压缩试验单向应力状态,2试验结果与分析,2.1单轴压缩试验单向应力状态,2试验结果与分析,2.2侧向约束试验两向应力状态,2试验结果与分析,2.3加锚约束试验三向应力状态,2试验结果与分析,2.3加锚约束试验三向应力状态,3破裂岩体锚注加固特性试验结论,（1）破裂岩体经注浆加固后，单轴抗压强度相对较低，具有弹塑性特性，不发生脆性破坏，有利于结构的稳定。分维数不同试件的峰值强度和弹性模量上存在一定的差异，偏高和偏低分维数试件强度和弹模值低于合理分维数试件.注浆改善了岩体的应力状态，促进了岩体承载能力的提高。（2）侧向约束条件下注浆岩体的力学性能明显提高，峰后应力缓慢降低，无明显的残余变形段。分维数的不同对试验结果影响相对较小，侧向约束力随试件塑性变形的增加而明显提高。,3破裂岩体锚注加固特性试验结论,（3）注浆加锚岩体试验曲线由初始裂隙压密、弹性、弹塑性和应力强化段组成，无峰后软化和残余变形段。锚杆提供了应力和位移约束，集中反映在由弹性段向应力强化段过渡的过程中，锚杆和侧向拉杆约束较好地维持了试件整体结构的稳定，表现出较高的承载和抗变形能力。（4）利用注浆加锚岩体具有的应力强化特性。进行深部地下工程锚注加固结构设计和稳定性分析，有利于充分发挥注浆加锚岩体的力学性能，揭示锚注加固结构具有较高承载能力的力学机制.,4破裂岩体锚注加固结构承载能力,4.1深部巷道围岩变形失稳过程4.2锚注加固结构承载机理4.3破裂岩体锚注加固结构极限承载能力4.4结论,4.1深部巷道围岩变形失稳过程,深部巷道围岩变形失稳过程包括4个阶段：开挖后弹性变形恢复，无支护条件下变形，有支护条件下变形和失稳条件下变形。（1）开挖后弹性变形恢复（2）无支护条件下变形（3）有支护条件下变形（4）支护失稳后变形,4.1深部巷道围岩变形失稳过程,因此，深部巷道围岩的变形与稳定，与实施支护的时间、强度和刚度相关，围岩变形是岩体破坏和剪切滑移引起体积应变增加的结果，对围岩应适时、主动地采取合理的支护与加固措施。实践表明，锚注加固技术可显著提高破裂岩体的自稳能力，围岩变形得到有效控制，为深部高应力巷道提供了一种有效支护手段。,4.2.1锚注加固结构的概念锚注加固形成的组合拱对围岩和支护的稳定起较大作用，为破裂岩体提供变形性能好、高抗力的结构性约束。因此，可将由锚注加固拱结构性约束引起的处于高应力状态下的破裂岩体和完整岩体的范围统称为支护结构的承载圈，而将锚注加固作用形成的组合拱结构称为关键承载圈，它是深部破裂岩体发挥应力强化特性的基础。,4.2锚注加固结构承载机理,4.2.2锚注加固结构承载机理（1）改善破裂岩体的物理力学状态（2）改变破裂岩体峰后承载和变形特性（3）多层组合拱结构提高了可靠性与承载能力（4）高约束力阻止深部围岩塑性区发展因此，锚注加固结构具有较好的整体性、稳定的结构性、较高